JP3366337B2 - 多段光ファイバ増幅器 - Google Patents

多段光ファイバ増幅器

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は概して、光ファイバ増幅器に関し、具体的に
は、低雑音で高パワーの光ファイバ増幅器回路に関す
る。
発明の背景 当該分野において公知のように、光増幅器は、供給さ
れる入力光信号の振幅を増大する装置である。そのよう
な増幅器への入力での光信号が単色であれば、出力もま
た単色であり、同じ周波数である。従来のファイバ増幅
器は、入力信号波長およびポンプ波長の両方で低い挿入
損失を提供するWDM結合器に接続されるゲイン媒体を含
む。ゲイン媒体には、希土類材料がドープされた単一モ
ードガラスファイバなどがある。入力信号は、結合器を
介して媒体に提供される。励起は、結合器内で、器土類
ドーパントの吸収バンド内の光入力信号と結合される、
ポンピング源からの光ポンピングを通して起こり、そし
て、増幅された出力信号がファイバの他端から出射され
る。
そのような増幅器は、典型的には、様々な応用におい
て使用される。この応用には、通信システムにおいて光
ファイバの長い長さを移動してきた光パルス、などの弱
い光パルスなどの増幅などがあるが、これに限定されな
い。光増幅は、シリカなどの、光ファイバが形成される
材料を含む、様々な材料において起こり得る。
エルビウム（Er）増幅器と呼ばれる１つのタイプのフ
ァイバ増幅器は、エルビウムがドープされた（具体的に
は、従来からEr3+として示されるエリビウムイオンがド
ープされた）単一モードコアを有するシリカファイバを
含む。標準のいわゆる３レベルモードで動作するエルビ
ウム光ファイバ増幅器が、980ナノメートル（nm）の波
長でポンピングされるとき、約1.5マイクロメートル
（μｍ）の波長を有する光信号を増幅することができる
ことは、周知である。1.5μｍが、従来の単一モードガ
ラスファイバの最も低い損失波長であるため、エルビウ
ム増幅器は、約1.5μｍの波長を有する光信号を伝搬す
るファイバシステムに含まれるのに十分に適している。
しかし、実際の通信システムにおいて使用されるエル
ビウムファイバ増幅器については、幾つかの制限があ
る。１つの問題点は、ゲイン特性が、比較的狭いゲイン
バンド幅内でしか比較的均一でないことである。さら
に、エルビウム増幅器により作り出される出力パワー特
性は、ファイバをポンピングするために使用されるポン
プ源から利用可能なパワーの範囲により制限される。ま
た、密な波長分割多重化（dense wavelength division
multiplexed）（WDM）システムの出現で、利用可能なゲ
インバンド幅およびゲイン平坦性の均一性は、光増幅器
設計において重大な問題点となっている。
別のタイプの周知の光ファイバ増幅器は、いわゆるラ
マン増幅器である。ラマン増幅器は、光ファイバにおけ
る誘発ラマン散乱を介して信号の増幅を提供し、エルビ
ウム増幅器に関連するゲインバンド幅の問題点を有して
いない。しかし、ラマン増幅器についての１つの問題点
は、ラマン増幅器が比較的非効率的であり、従って、適
切な出力パワーを得るために、比較的高いパワーレベル
を有するポンプ信号でポンピングされなければならない
ことである。高パワーポンプ信号からのエネルギーの多
くは使用されず、浪費され、高パワーポンプ信号でポン
ピングされても、ラマン増幅器は、ポンプ信号により提
供されるエネルギーの非効率的な使用のため、比較的低
いパワーレベルを有する出力信号を提供する。これは、
ラマン増幅器がその「飽和モード」で動作しない場合に
特に当てはまる。
ラマン増幅器についての別の問題点は、増幅器の上位
原子エネルギー準位（upper atomic energy level）が
実質的にゼロの寿命を有することである。波分割（wave
division）多重化システムでは、上位増幅器エネルギ
ー準位の急速な消耗の結果、必要とされる高パワーポン
プ信号と、増幅される入力信号との間のクロストークが
起こり得る。
D1（IEE Proceedings J.Optoelectronics、vol.137、
no.4、1 August 1990、pp.225,229、Aida Kら、「Desig
n and performance of a long−span IM/DD optical tr
ansmission system using remotely pumped optical am
plifiers」）は、遠隔からポンピングされる光増幅器を
使用する長スパンIM/Dd光送信システムの設計および性
能を開示している。光送信システムのレシーバ側では、
Erがドープされたファイバの後に、34km分散シフト型フ
ァイバ（dispersion shifted fiber）が続き、両方の光
増幅器には、1.45〜1.49μｍレーザダイオードから出射
されるポンプ光が提供される。
D2（US 5 506 723 A）は、２段ファイバ光増幅器を記
載しており、光ファイバの第１および第２の部分は、エ
ルビウムがドープされたファイバコアからなり、両方の
増幅器段は、光信号の伝搬方向と反対方向または光信号
の伝搬方向にポンピングされる。
D3（EP 0 463 771 A）は、少なくとも２つの増幅状態
を含む多段光増幅器を開示しており、ここで、各段は、
異なるゲインスペクトルを有する、エルビウムがドープ
されたファイバコアを有する増幅ファイバを含む。２つ
の段は、別々にポンピングされ得、各段のゲインは、個
々に調節され得る。
D4（EP 0 647 000 A）は、２段光増幅器を開示してお
り、両方の増幅器段は、エルビウムがドープされたファ
イバコアを含む。第１の段の光増幅器のファイバ長は、
２段増幅器全体としての雑音指数が、主として第１の段
の雑音指数により決定されるように低い雑音および十分
なゲインを達成するよう、最適化される。
従って、比較的広いバンド幅、比較的低い雑音特性、
および比較的高い出力パワー特性を有する光ファイバ増
幅器を提供することが望ましい。
発明の要旨 本発明によれば、多段光増幅器は、第２のファイバ増
幅器段に光結合される第１のファイバ増幅器段を含む。
１つの実施形態によれば、ポンプ信号は、第１の段と第
２の段との接続部で第１の増幅器段に注入され、入力信
号と反対方向に伝搬する。第１の増幅器段は、第１の増
幅器段が飽和しないように、ポンプ信号を完全には吸収
せず、余分なポンプ信号を第２の増幅器段に付与して第
２の増幅器段をポンピングするために、光路もまた提供
され得る。光路は、ポンプ信号がまた、第２の増幅器段
における入力信号と反対方向に伝搬するように構成され
る。
別の実施形態によれば、ポンプ信号は、第２の増幅器
段に注入され、入力信号とは反対方向に伝搬する。第２
の増幅器段は、ポンプ信号を完全には吸収せず、余分な
ポンプ信号を第１の増幅器段に付与して第１の増幅器段
をポンピングするために、別個の光路が提供される。ポ
ンプ信号はまた、第１の増幅器段における入力信号と反
対方向に伝搬する。
さらに他の実施形態によれば、第１のファイバ増幅器
段は、ラマン増幅器であり、第２の増幅器段は、希土類
がドープされたファイバ増幅器である。ラマン増幅器段
のゲインおよびバンド幅特性は、ラマン増幅器段が比較
的低い雑音特性を有するようにポンプ信号の波長を選ぶ
ことにより、選択される。一方、希土類がドープされた
増幅器段は、比較的高いパワー特性を有するように設計
される。さらに、光増幅器全体のゲインバンド幅を増加
するために、第１および第２の増幅器段のゲインバンド
幅特性は、一致するようにではなく重なるように選択さ
れる。
例えば、ポンプ信号の波長は、ラマン増幅器段により
提供されるゲイン特性が、希土類がドープされた増幅器
段のゲイン特性を補うように選択され得る。これは、比
較的広いバンド幅にわたって光ゲイン特性および低雑音
特性を有する増幅器を提供する。さらに、ポンプ信号の
パワーレベルは、ラマン増幅器が不飽和増幅器モードで
動作するように選択され得る。ラマン増幅器が、ポンプ
信号のパワーのすべてを効率的には使用しないため、ラ
マン増幅器段からの余分なポンプ信号パワーが、希土類
がドープされた増幅器をポンピングする。従って、ポン
プ信号が、希土類増幅器をポンピングするために再循環
されるため、ラマン増幅器の非効率性の結果が最小にさ
れる。
さらに、ポンプ信号は、入力信号がラマン増幅器段お
よび希土類がドープされた増幅器段を伝搬する方向とは
反対方向に、これらの増幅器段を通って伝搬するように
構成される。これは、入力信号とポンプ信号との間のク
ロストークを最小にする。そのようなクロストークの最
小化は、入力信号とポンプ信号との間のウォークオフ
（walk−off）特性が大きいために得られ、従って、こ
のようにして、ポンプにより媒介される信号クロストー
ク機構が打ち破られる。
１つの実施形態では、希土類がドープされた増幅器段
は、エルビウムがドープされたシリカファイバを使用し
得る。または、別の実施形態では、エルビウムがドープ
されたフッ化物ファイバを使用し得る。フッ化物ファイ
バは、比較的長い波長を有する信号に増幅を提供するた
め、フッ化物ファイバの使用は、全体的な増幅器ゲイン
バンド幅を増加し得る。別の実施形態では、ラマン増幅
器段をポンピングするために、1435nmおよび1465nmの波
長をそれぞれ有する２つのポンプ信号が使用される。こ
のアプローチの結果、50nm以上のゲインバンド幅を有す
る、比較的幅が広く平坦なゲイン特性を有する光増幅器
が得られる。
さらに他の実施形態では、多段増幅器をポンピングす
るために、２つのポンプ周波数が使用される。
さらに他の実施形態では、ラマン増幅器段をポンピン
グするために、単一のポンプ源が使用される。このポン
プ源は、典型的には約1480nmの波長を有する出力信号を
提供するラマンファイバレーザであり得る。あるいは、
単一のポンプ源は、典型的には約1480nmの波長を有する
出力信号を提供する２つの高パワーダイオードとして提
供され得る。
比較実施例では、第１の増幅器段は、エルビウムがド
ープされたファイバ増幅器であり、第２の段は、ラマン
増幅器である。
比較実施例では、第１の増幅器段は、ツリウムがドー
プされたZBLANコアを備えるファイバ増幅器であり、第
２の段は、エルビウム／イッテルビウムがドープされた
ファイバ増幅器である。第１の増幅器段は、1.06μｍポ
ンプ源からクラッドポンピングされる（cladding pumpe
d）。
別の比較実施例では、第１の増幅器段は、プラセオジ
ミウムがドープされたZBLANコアを備えるファイバ増幅
器であり、第２の増幅器段は、エルビウム／イッテルビ
ウムがドープされたファイバ増幅器である。第１の増幅
器段は、1.04μｍポンプ源からクラッドポンピングされ
る。
別の実施形態では、光増幅器ユニットは、ファイバコ
ア中に活性ドーパントを有するファイバコアを含む第２
の段のファイバ増幅器と、第１の段のファイバ増幅器と
第２の段のファイバ増幅器との間に形成される２つの光
結合経路と、をさらに含む。第１の結合経路は、第１の
段のファイバ増幅器と、第２の段のファイバ増幅器との
間であり、第１の段のファイバ増幅器の出力から第２の
段のファイバ増幅器への入力として、入力信号を提供
し、第２の結合経路は、第１の段のファイバ増幅器から
第２の段のファイバ増幅器へのポンピングパワーの移送
を提供して、第２の段のファイバ増幅器をポンピングす
る。ラマン増幅器および第２の段のファイバ増幅器の二
重ゲインスペクトルの組み合わせが、数十ナノメートル
のバンド幅を越える光増幅器ユニットの総ゲインスペク
トルを提供する。別の実施形態では、ラマン増幅器は、
分散補償ファイバコアを有する。
別の実施形態では、第２の段のファイバ増幅器は、希
土類がドープされたファイバコアを有する。
別の実施形態では、第１および第２のスペクトルバン
ドは、部分的に重なる。
別の実施形態では、第１および第２のスペクトルバン
ドは、隣接し、実質的に重なりを持たない。
別の実施形態では、第１および第２のスペクトルバン
ドは、重ならない。
別の実施形態では、第１の光ファイバ増幅器は、第３
の光ファイバを介して、第２の光ファイバ増幅器と光結
合され、ポンプエレメントは、第１の光ファイバ増幅器
に直接結合されてポンピングを行い、且つ、第３の光フ
ァイバを介して第２の光ファイバ増幅器に結合されてポ
ンピングを行う。
別の実施形態では、ラマンゲイン媒体は、広いゲイン
バンド幅を提供するように選択される。
別の実施形態では、高パワーポンプエレメントは、複
数のポンプエレメントを含み、複数のポンプエレメント
の各々は、出力と、ポンプエレメント出力を結合して第
１の段のファイバ増幅器に入力する波分割マルチプレク
サと、を有する。
別の実施形態では、複数のポンプエレメントの各々
は、第１および第２の段のファイバ増幅器の吸収バンド
内の出力波長を有するレーザダイオードである。
別の実施形態では、複数のポンプエレメントの各々
は、ファイバレーザを含む。
別の実施形態では、光増幅器ユニットは、第２の波分
割マルチプレクサの第２のポートに結合される第１のポ
ートと、第２の段のファイバ増幅器の入力ポートに結合
される第２のポートと、を有する第１のアイソレータ
（isolator）をさらに含む。
別の実施形態では、光増幅器ユニットは、第３の波分
割マルチプレクサの第２のポートに結合される第１のポ
ートと、光増幅器回路の出力ポートに結合される出力ポ
ートと、を有する第２のアイソレータをさらに含む。
別の実施形態では、第２の段のファイバ増幅器は、シ
リカファイバおよびフッ化物ファイバのうちの１つを含
む。
別の実施形態では、ポンプエレメントは、第１の波分
割マルチプレクサの第３のポートに結合される出力ポー
トを含む。
別の実施形態では、光増幅器ユニットは、第１の入力
ポートおよび第２の入力ポートと、第２の波分割マルチ
プレクサの第３の入力ポートに結合される出力ポート
と、を有する第４の波分割マルチプレクサをさらに含
む。
別の実施形態では、ポンプエレメントは、第４の波分
割マルチプレクサの第１の入力ポートに結合されるポー
トを含む。
別の実施形態では、ポンプエレメントは、第４の波分
割マルチプレクサの第２のポートに結合される別のポー
トを含む。
別の実施形態では、ポンプエレメントは、ラマンファ
イバレーザおよび複数の半導体レーザダイオード、のう
ちの１つを含む。
別の実施形態では、ポンプエレメントは、1480nmの波
長を有する信号を発するラマンファイバレーザを含む。
別の実施形態では、ポンプエレメントは、レーザダイ
オードの対を含み、レーザダイオードの各々は、1480nm
の波長を有する信号を発する。
別の実施形態では、第２のアイソレータは、多段アイ
ソレータを含む。
別の実施形態では、第２の段のファイバ増幅器の第１
の端部は、光アイソレータを介して、第１の段のファイ
バ増幅器の第２の端部に光結合される。
別の比較実施例では、第１の段のファイバ増幅器は、
希土類がドープされた増幅器を含む。
別の実施形態では、第２の段のファイバ増幅器は、ラ
マン増幅器を含む。
別の実施形態では、ポンプ源は、多数のポンプエレメ
ントを含み、これらのポンプエレメントの出力は、結合
されて、第１の段のファイバ増幅器の出力端に入力さ
れ、多数のポンプエレメントは、増幅器システムのゲイ
ンバンド幅を広くする。別の実施形態では、多数のポン
プエレメントは、第１および第２の段のファイバ増幅器
の吸収バンド内の異なる出力波長を有する。
別の比較実施例では、第１および第２の段のファイバ
増幅器は、ファイバラマン増幅器である。
別の実施形態では、第１の段の増幅器は、少なくとも
２つのラマンファイバ増幅器を含む。
本発明の別の局面によれば、別の実施形態は、直列に
接続される少なくとも２つの光ファイバ増幅器を含み、
１つの段の出力は、別の段のための入力を提供し、増幅
器は、少なくとも１つのポンプ源から提供されるポンピ
ング励起を有する異なるタイプのゲイン機構を有するこ
とを特徴とする。
別の比較実施例では、第１の増幅器段は、ツリウムが
ドープされたZBLANコアを備えるファイバ増幅器であ
り、第２の段は、エルビウム／イッテルビウムがドープ
されたファイバ増幅器である。第１の増幅器段は、1.06
μｍポンプ源からクラッドポンピングされる。
さらに他の比較実施例では、第１の増幅器段は、プラ
セオジミウムがドープされたZBLANコアを備えるファイ
バ増幅器であり、第２の増幅器段は、エルビウム／イッ
テルビウムがドープされたファイバ増幅器である。第１
の増幅器段は、1.04μｍポンプ源からクラッドポンピン
グされる。
さらに他の比較実施例では、第１の段のファイバ増幅
器は、第１のスペクトルバンド内で動作し、第２の段の
ファイバ増幅器は、第１のスペクトルバンドとは異なる
第２のスペクトルバンド内で動作し、第１および第２の
段のファイバ増幅器は共に、１つよりも多いポンプ源か
らのポンプ放射（pump radiation）でポンピングされ
る。
さらに他の比較実施例では、入力信号を増幅する光増
幅器ユニットは、入力信号を受け取るラマン増幅器を含
むファイバ増幅器と、２つの異なる空間的に間隔があけ
られた波長で、ラマン増幅器にポンピングパワーを提供
し、ファイバ増幅器において別個のラマンゲインスペク
トルを作り出す少なくとも２つのポンプ源と、を含む。
図面の簡単な説明 本発明の上記特徴および本発明自体は、図面に関する
以下の詳細な説明からより十分に理解され得る。
図１は、本発明の原理に従って構成される光増幅器で
あって、ラマン増幅器の第１の段と、希土類がドープさ
れた第２の段とを備える、光増幅器のブロック図であ
る。
図２は、本発明の原理に従って構成される光増幅器で
あって、希土類がドープされた第１の段と、ラマン増幅
器の第２の段とを備える、光増幅器のブロック図であ
る。
図３は、図１および図２に示される多段階増幅器のゲ
インスペクトルのプロットである。
図４は、本発明の原理に従って構成される光増幅器で
あって、第１の増幅器段が、ツリウムがドープされたZB
LANコアを備えるファイバ増幅器であり、第２の段が、
エルビウム／イッテルビウムがドープされたファイバ増
幅器である、光増幅器のブロック図である。
図５は、図４に示される多段増幅器のゲインスペクト
ルのプロットである。
図６は、本発明の原理に従って構成される光増幅器で
あって、第１の増幅器段が、プラセオジミウムがドープ
されたZBLANコアを備えるファイバ増幅器であり、第２
の段が、エルビウム／イッテルビウムがドープされたフ
ァイバ増幅器である、光増幅器のブロック図である。
図７は、図６に示される多段増幅器のゲインスペクト
ルのプロットである。
図８は、本発明の原理に従って構成される光増幅器で
あって、ポンピング信号が第２の増幅器段に付与され
る、光増幅器のブロック図である。
好適な実施形態の詳細な説明 次に図１を参照して、入力ポート10aおよび出力ポー
ト10bを有する光増幅器10は、増幅器入力ポート10aに結
合される入力ポート12aを有する第１の波分割マルチプ
レクサ（WDM）12を含む。WDM12の出力ポート12bは、増
幅器10の第１の増幅器段としての役割を果たすラマンフ
ァイバ増幅器14の入力ポート14aに結合される。ラマン
増幅器14は、光増幅器10に比較的低い雑音指数を持たせ
る量子制限された（quantum−limited）雑音指数を有す
る。増幅器14は、クラッド光ファイバ（cladded optica
l fiber）からなる。このクラッド光ファイバは、例え
ば、典型的には約２μｍ〜約５μｍの範囲のコア径を有
し、約1480nmの波長で0.6デシベル／キロメートル（db/
km）以下の挿入損失特性を有するゲルマノーシリカファ
イバであり得る。また、ファイバが波長λ１の放射を増
幅するものであり、λｌ＝λｉ−l'＋Δλｉであると
き、比較的高い値のデルタを有するファイバが好まし
い。ここで、Δλｉは、ファイバに関連する適切なスト
ークスバンド内の長さであり、ｌ＝1,...,n（ｎは、２
以上の整数）であり、λi-1は、ｌ＝１のとき、ポンプ
放射の波長λｐであるとして規定される。
増幅器14は、第２のWDM16および第１のアイソレータ2
0を介して、エルビウムがドープされたファイバ増幅器2
2の入力ポートに結合される。具体的には、増幅器14の
出力ポート14bは、第２のWDM16の入力ポート16aに結合
され、WDM16の出力ポート16bは、アイソレータ20の入力
ポート20aに結合される。典型的には約40dBの分離（iso
lation）特性を有するアイソレータ20が提供される。ア
イソレータ20の宿力ポート20bは、増幅器10の第２の増
幅器段を提供する、エルビウムがドープされた（Er）増
幅器22の第１の入力ポート22aに結合される。
Er増幅器22は、従来のドーピング技術を用いてEr3+イ
オンがドープされたコアを有する単一モードファイバ部
分から提供される。好適な実施形態では、第２の段の増
幅器22はEr増幅器であるが、その代わりに、増幅器段22
が、エルビウム以外の希土類金属がドープされたコアを
有する単一モードファイバから製造されてもよいことが
認識されるはずである。さらに、ファイバは、シリカガ
ラスファイバであってもよく、あるいは、例えばZBLAお
よびZBLANなどの、ZrF4に基づくフッ化ガラス組成物も
また使用され得る。
増幅器段22は、所定の波長を有する信号でポンピング
される。増幅器22の出力は、第３のWDM24の入力ポート2
4aに結合され、WDM24の第１の出力ポート24bは、入力ポ
ート26aで第２のアイソレータ26に結合される。アイソ
レータ26は、例えば、増幅器段14、22により提供される
ゲインバンド幅と少なくとも同じ幅のパスバンドにおい
て比較的低い挿入損失を有する多段アイソレータとして
提供され得る。アイソレータ26の出力ポート26bは、増
幅器出力ポート10bに結合される。
第４のWDM18は、入力ポート18a、18bを有し、これら
の入力ポート18a、18bを通して、波長λ１およびλ２を
それぞれ有するポンプ信号P1、P2がそれぞれ供給され
る。WDM18の出力ポート18cは、WDM16の第２の入力ポー
ト16cに結合される。このようにして、ポンプ信号P1、P
2は、WDM18を介して、WDM16の入力ポート16cに供給され
る。
ポンプ信号P1、P2は、WDM16およびポンプラマン増幅
器14を通って伝搬する。光信号経路28は、WDM12の出力
ポート12cに結合される第１の端部と、WDM24の第３のポ
ート24cに結合される第２の端部28bと、を有する。
動作において、波長λ１およびλ２をそれぞれ有する
ポンプ信号P1およびP2は、増幅器14の飽和レベルよりも
低いレベルで、ラマン増幅器14をポンピングする。従っ
て、第１の不飽和ラマン増幅器段14からの余分なポンプ
パワーが、信号経路28を介して結合され、WDM24を通っ
て、第２の増幅器段22に供給され、それにより、Er増幅
器22をポンピングする。
従って、第１の増幅器段14で使用されないポンプ信号
エネルギーは、第２の増幅器段22で使用される。このよ
うに、ラマン増幅器14は、意図的に飽和モードで動作さ
れない。なぜなら、ポンプ信号P1およびP2により提供さ
れるポンプパワーを、第２の増幅器段22に利用可能にす
ることが望ましいからである。この第２の増幅器段22で
は、ポンプパワーは、ラマン増幅器14がポンプ信号を使
用する効率と比べた場合、比較的効率的な態様で使用さ
れる。典型的な応用では、信号経路を通って第２の段の
増幅器22に結合されるラマン増幅器14に提供されるポン
プパワーのパーセンテージは、約40％〜約90％の範囲で
あり、典型的には、約75％のポンプパワーが好ましい。
上記のように、ラマン増幅器は比較的非効率的であ
り、従って、比較的高いパワーレベルを有するポンプ信
号を必要とする。これは、ラマン増幅器が、増幅器をそ
の飽和領域にさせるレベルでポンピングされない場合
に、特に当てはまる。従って、信号経路28を使用して、
第１の増幅器段から第２の増幅器段にポンプパワーを結
合することにより、ラマン増幅器の非効率性および高パ
ワーポンプ信号の要求が軽減される。
さらに、ポンプ信号が、入力信号の方向と反対方向に
ラマン増幅器を通って伝搬するため、ポンプ信号と入力
信号との間のクロストークが最小にされる。これは、入
力信号とポンプ信号との間のウォークオフが比較的大き
く、従って、ポンプにより媒介される信号クロストーク
が低減されるためである。
ラマン増幅器のゲインおよびバンド幅特性は、ポンプ
信号のスペクトル特性により決定される。従って、ラマ
ン増幅器は、ポンプ信号P1およびP2の波長およびパワー
特性の適切な選択により、好適なゲインおよびバンド幅
特性を有するように設計され得る。この態様でラマン増
幅器14のゲインおよびバンド幅特性を改変することは、
比較的容易である。この技術は、ラマン増幅器22の、高
いポンプパワーの要求の欠点を軽減する。
さらに、ポンプ信号の波長は、ラマン増幅器のゲイン
が、より長い波長でEr増幅器のゲインを補うように選択
され得るが、それでも、ポンプ信号は依然として、第２
の増幅器段22のErファイバをポンピングするために、信
号経路28を通して再循環され得る。例えば、増幅器22
が、1550nmと1570nmとの間の波長を有する信号につい
て、線形に減少するゲイン特性を有する場合、ポンプ信
号P1、P2の波長は、1550nmの波長と1570nmの波長との間
で線形に増加するゲイン特性を有するラマン増幅器14を
提供するように選択され得る。従って、光増幅器10のハ
イブリッドラマン増幅器/Erパワー増幅器構成は、各増
幅器タイプの利点を用いて、比較的広いバンドで、高い
ゲインで、高いパワーの増幅器10を提供する。
分散補償ファイバをラマンゲインファイバに使用する
ことにより、さらに他の改良点が得られ得る。分散補償
ファイバは周知であり、従来の光ファイバを通過するこ
とにより引き起こされるパルスの分散を逆にするために
使用され得る。
第２の段のErファイバがフッ化物ファイバである場
合、このファイバは、比較的長い波長でゲインを提供
し、第２の段の増幅器22においてシリカファイバが使用
される場合に増幅器10が有するバンド幅よりも広いバン
ド幅を、増幅器10に持たせる。
別の実施形態によれば、ポンプ信号P1、P2は、それぞ
れ1465nmおよび1485nmの波長を有するように設計され
る。この場合、増幅器10の複合ゲインスペクトルは、従
来の増幅器のゲインスペクトルよりも幅が広く、平坦で
あり得る。従って、本発明の技術を用いて、40nmを越え
るゲインバンド幅を有する光増幅器が提供され得る。
ポンプ信号P1、P2を提供するポンプ源（図示せず）
は、典型的には約1480nmの波長を有する出力信号を生成
するラマンファイバレーザであり得る。あるいは、ポン
プ源は、各々が1420nm〜1520nmのバンドの異なる出力波
長を有する信号を提供する２つの高パワーレーザダイオ
ードから提供されてもよい。ポンプ源の特定のタイプの
選択は、様々なファクタに依存する。このファクタに
は、光増幅器10から望まれる総出力パワーなどがある
が、これに限定されない。
図２は、第１の増幅器段14が、希土類がドープされた
ファイバ増幅器であり、第２の増幅器段22がラマン増幅
器である、比較実施例を示す。ポンピング構成は、図１
に示される構成と同じである。この構成は、図１に示さ
れる増幅器と同様の特性を有するが、より優れた雑音指
数を有し得る。図１および図２に示される増幅器のゲイ
ンスペクトルが、図３に示される。図３は、本発明の１
つの実施形態により得られ得るスペクトルの重なりを示
す。特に、エルビウム増幅器のゲインスペクトルは、約
1530nmから約1560nmまで延び、ラマン増幅器のゲインス
ペクトルは、1560nmから1580nmにわたるように調節され
得る。その結果、より幅の広い全体ゲインスペクトルと
なる。
図４は、第１の増幅器段と第２の増幅器段とがとも
に、希土類がドープされたファイバ増幅器である、光増
幅器の比較実施例のブロック図である。具体的には、第
１の増幅器段30は、ツリウムがドープされたZBLANコア
を備えるファイバ増幅器であり、第２の段22は、エルビ
ウム／イッテルビウムがドープされたファイバ増幅器で
ある。増幅器は、1.06μｍの信号周波数を有するポンプ
信号32でポンピングされる。そのような増幅器のゲイン
スペクトルが、図５に示される。ツリウムがドープされ
た増幅器のゲインスペクトル500は、1.48μｍを中心と
し、エルビウム／イッテルビウムのスペクトル502は、
1.55μｍを中心とする。これらの２つのスペクトルの間
には重なりがない。
図６は、第１の増幅器段34が、プラセオジミウムがド
ープされたZBLANコアを備えるファイバ増幅器であり、
第２の段22が、エルビウム／イッテルビウムがドープさ
れたファイバ増幅器である、光増幅器の別の比較実施例
のブロック図である。増幅器は、1.04μｍの信号周波数
を有するポンプ信号36でポンピングされる。そのような
増幅器のゲインスペクトルが、図７に示される。ツリウ
ムがドープされた増幅器のゲインスペクトル700は、1.3
μｍを中心とし、エルビウム／イッテルビウムのスペク
トル702は、1.55μｍを中心とする。これらの２つのス
ペクトルの間には重なりがない。
図８は、エルビウム増幅器804がラマン増幅器814に結
合される、別の比較実施例を示す。具体的には、増幅器
は、アイソレータ802を介してエルビウム増幅器804に接
続される入力ポート800を有する。エルビウム増幅器804
の信号出力は、第１の波分割マルチプレクサ（WDM）80
4、第２のアイソレータ808、および第２のWDM810によ
り、ラマン増幅器814の信号入力に接続される。増幅器8
14の信号出力は、WDM816を介して出力ポート818に接続
される。例えば1480nmのポンプ信号820が、WDM816を介
してシステムに付与され、ラマン増幅器814における入
力信号と反対方向に伝搬する。
ラマン増幅器814をポンピングした後に残る余分なポ
ンプ信号は、WDM810および804により、アイソレータ808
付近でパイパスされ、そして、エルビウム増幅器804を
ポンピングする。ポンプ信号はまた、増幅器804におけ
る入力信号と反対方向に伝搬する。図８には単一のポン
ピング周波数が示されているが、上記のように、２つの
異なる周波数が使用されてもよい。
以上、本発明の好適な実施形態を説明してきたが、上
記実施形態の概念を組み込む他の実施形態が使用され得
ることが、今当業者に明らかになる。例えば、好適な実
施形態では、増幅器10はアイソレータ20を含むが、幾つ
かの応用では、アイソレータ20は、増幅器10から省略さ
れ得ることに注目されたい。アイソレータ20の除去は、
Er増幅器22を通って反対方向に伝搬する余分なポンプ信
号が、WDM16を通ってラマン増幅器14に伝搬し続けるこ
とを可能にする。概して、この余分なポンプ信号は、ラ
マン増幅器14の雑音性能に悪影響を及ぼすが、幾つかの
環境では、これは許容可能である。同様に、多段アイソ
レータ20の除去により、WDM24が、増幅器出力ポート10b
に結合される構成要素からの背面反射（back reflectio
ns）を受け取り得る。
さらに、本発明の多段増幅器は、他の増幅器と組み合
わせて使用され得る。例えば、開示されたラマン／エル
ビウムがドープされた増幅器は、３段増幅器の第２の段
および第３の段として使用され得る。エルビウムの第１
の段は、アイソレータにより、ラマン／エルビウムがド
ープされた増幅器に結合され得る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−296056（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−202306（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−162371（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−224254（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−29686（ＪＰ，Ａ) 中川清司 他，光増幅器とその応用, 日本，株式会社オーム社，1992年５月30 日，第１版第１刷発行，195頁 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H04B 10/00 - 10/28 H04J 14/00 - 14/08 H01S 3/06

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】光入力信号を増幅して、該入力信号の光パ
    ワーよりも大きい光パワーを有する中間信号を生成する
    第１の光ファイバ増幅器段（14）であって、ラマンゲイ
    ン媒体を含む第１の光ファイバ増幅器段（14）と、 該中間信号を増幅して、該中間信号の光信号パワーより
    も大きい光信号パワーを有する出力信号を生成する第２
    の光ファイバ増幅器段（22）であって、１つ以上の希土
    類材料を含むゲイン媒体を含む第２の光ファイバ増幅器
    段（22）と、 該第１の光ファイバ増幅器段（14）と該第２の光ファイ
    バ増幅器段（22）との両方をポンピングする単一のポン
    プ源（18）と、 第１の端部（14a）と第２の端部（14b）とを有する該第
    １の光ファイバ増幅器段（14）を、該第１の光ファイバ
    増幅器段（14）の該第２の端部（14b）に光結合された
    第１の端部（22a）と第２の端部（22b）とを有する該第
    ２の光ファイバ増幅器段（22）に光結合する光ファイバ
    であって、該第１の光ファイバ増幅器段（14）の該第１
    の端部（14a）で吸収されないポンプ信号が該第２の光
    ファイバ増幅器段（22）に付与されて該第２の光ファイ
    バ増幅器段（22）をポンピングする、光ファイバと、 を備え、 該ポンプ源（18）は、該第１の光ファイバ増幅器段（1
    4）の該第２の端部（14b）に光結合されて、ポンプ信号
    が該第１の光ファイバ増幅器段（14）の該第１の端部
    （14a）に伝搬するとき、該第１の光ファイバ増幅器段
    （14）をポンピングするポンプ信号を該第１の光ファイ
    バ増幅器段（14）に提供し、 該第１の光ファイバ増幅器段（14）は、該第１の光ファ
    イバ増幅器段（14）をその飽和レベルよりも下のレベル
    に維持する態様で、該ポンプ源（18）によりポンピング
    される、多段光増幅器ユニット。
  2. 【請求項２】入力信号が、前記第１の光ファイバ増幅器
    段（14）の前記第１の端部（14a）に提供され、該第１
    の光ファイバ増幅器段（14）の前記第２の端部（14b）
    に伝搬して増幅し、前記ポンプ信号が、該入力信号と反
    対方向に伝搬する、請求項１に記載の多段光増幅器ユニ
    ット。
  3. 【請求項３】前記第１の光ファイバ増幅器段（14）が、
    前記第２の光ファイバ増幅器段（22）のゲインバンド幅
    とは異なるゲインバンド幅を有する、請求項１に記載の
    多段光増幅器ユニット。
  4. 【請求項４】前記第１の光ファイバ増幅器段（14）の前
    記ゲインバンド幅が、前記第２の光ファイバ増幅器段
    （22）の前記ゲインバンド幅と重なる、請求項３に記載
    の多段光増幅器ユニット。
  5. 【請求項５】前記多段光増幅器ユニットの全体のゲイン
    が、前記第１および第２の光ファイバ増幅器段（14、2
    2）の前記ゲインバンド幅の各々よりも広いシステムゲ
    インバンド幅にわたって実質的に均一である、請求項４
    に記載の多段光増幅器ユニット。
  6. 【請求項６】前記第１の光ファイバ増幅器段（14）が、
    低雑音増幅器を含み、前記第２の光ファイバ増幅器段
    （22）が、高ゲイン増幅器を含む、請求項１に記載の多
    段光増幅器ユニット。
  7. 【請求項７】前記第１および第２の光ファイバ増幅器段
    （14、22）の間に形成される２つの光結合経路（28、1
    6、20）をさらに含み、該第１の結合経路（16、20）
    は、該第１および第２の光ファイバ増幅器段（14、22）
    を接続し、該第１の光ファイバ増幅器段（14）の出力か
    ら該第２の光ファイバ増幅器段（22）への入力として前
    記入力信号を提供し、該第２の結合経路（28）は、該第
    １の光ファイバ増幅器段（14）から該第２の光ファイバ
    増幅器段（22）への余分なポンピングパワーの移送を提
    供して、該第２の光ファイバ増幅器段（22）をポンピン
    グする、請求項１に記載の多段光増幅器ユニット。
  8. 【請求項８】前記多段光増幅器ユニットの入力ポートに
    結合される第１の入力ポート（12a）を有し、前記第１
    の光ファイバ増幅器段（14）の前記第１の端部（14a）
    に結合される第２のポート（12b）を有する、第１の波
    分割マルチプレクサ（12）と、 該第１の光ファイバ増幅器段（14）の前記第２の端部
    （14b）に結合される第１のポート（16a）と、前記第２
    の光ファイバ増幅器段（22）の前記第１の端部（22a）
    に結合される第２のポート（16b）と、を有する、第２
    の波分割マルチプレクサ（16）と、 第３の分割マルチプレクサ（24）であって、該第２の光
    ファイバ増幅器段（22）の前記第２の端部（22b）に結
    合される第１のポート（24a）と、該多段光増幅器ユニ
    ットの出力ポートに結合される第２のポート（24b）
    と、を有する第３の分割マルチプレクサ（24）と、 該第１の波分割マルチプレクサ（12）の第３のポート
    と、該第３の波分割マルチプレクサ（24）の第３のポー
    ト（24c）との間に結合される信号経路（28）と、 をさらに含む、請求項１に記載の多段光増幅器ユニッ
    ト。
  9. 【請求項９】ポンプ信号が、前記第１の光ファイバ増幅
    器段（14）において増幅される信号と反対方向に、該第
    １の光ファイバ増幅器段（14）を通って伝搬し、該ポン
    プ信号の吸収されない部分が、前記第２の光ファイバ増
    幅器段（22）において増幅される信号と反対方向に伝搬
    するように該第２の光ファイバ増幅器段（22）に向けら
    れる、請求項１に記載の多段光増幅器ユニット。
  10. 【請求項１０】互いに結合される複数のポンプ源を含む
    ポンプエネルギー源をさらに含む、請求項１に記載の多
    段光増幅器ユニット。
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